新腔體的嘗試*
——大型壓機方腔體的實驗研究

楊 燁,方嘯虎,李 穎

(1.晶日金剛石工業有限公司,河北 燕郊 065201；2.河南工業大學，鄭州 450007；3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司，上海 201108)

新腔體的嘗試*
——大型壓機方腔體的實驗研究

楊 燁1,2,方嘯虎2.3,李 穎2

(1.晶日金剛石工業有限公司,河北 燕郊 065201；2.河南工業大學，鄭州 450007；3.上海昌潤極銳超硬材料有限公司，上海 201108)

通過對腔體擴大過程中的新腔體——方腔體的設計、實驗并與傳統腔體進行比較，強調了方腔體的過渡弧設計，不僅避免了因腔體擴大導致的壓力提高、設備損害，而且大幅提升了設備的單次合成產出。

金剛石壓機；方腔體;過渡弧;合成壓力;單次產出

1 引言

近年來，雖然國內超硬材料合成技術迅速發展，但國內經濟下行的壓力增大，尤其是房地產行業的調控政策收緊，使得人造金剛石單晶市場急劇惡化，市場競爭日益加劇，各金剛石生產企業為爭取市場份額和企業生存，不惜采用爭相降價的方式爭取客戶，這就給企業利益造成巨大損失，尤其是在合成設備大型化更替的關鍵時期。一方面，設備更新換代投入巨大；另一方面，金剛石單晶價格繼續下行，進一步壓縮了生產企業的利潤空間，這直接關系企業的生存與發展。因此生產成本是金剛石生產企業能否在市場競爭中生存和發展的關鍵因素。

如何發揮合成設備的合成潛能，在不降低金剛石品質的前提下，提高單次合成的產出，降低合成成本，是現在每個人造金剛石合成企業所面臨的迫切需要解決的實際問題。本文通過新腔體的嘗試，在不增加現有設備合成壓力的前提下，通過改變腔體結構，實現了同等腔體單次產量提高15%以上的結果，為金剛石生產企業提供了一種新的合成思路。

2 方腔體的設計及合成

如何實現優質高產一直是金剛石生產廠家和每個工程技術人員永恒的主題，合成腔體擴大[1]是降低合成成本的最有效、最直接的途徑。合成腔體擴大嘗試可以追溯到上世紀70年代，金剛石生產企業為實現單次產出的最大化，在小壓機上進行了腔體擴大的嘗試，并取得了較好的產出效果，尤其是進入21世紀以后，隨著金剛石市場競爭加劇，企業為追求市場占有率及生存發展的需要，為了在激烈的競爭中掌握主動權，在加大技術投入同時，通過腔體擴大，提高單次產量的方式，贏取了一定的市場競爭的主動，并且取得一定效果。

表1為傳統圓腔體不同缸徑設備、不同合成腔體的產出對比：

表1 不同缸徑壓機腔體擴大對比表

2.1 傳統圓腔體擴大弊端

現今人造金剛石合成普遍采用圓柱形腔體結構[2]，其擴大腔體主要指在原有基礎上對合成柱直徑進行增加的過程。腔體擴大[3-5]分為兩種：(1)設備增大帶來的腔體擴大；(2)合成設備不變的情況下，增大合成柱直徑。第一種腔體擴大是設備更新換代的必然結果。在不進行設備更新前提下的第二種腔體擴大才是設備挖潛能力的表現，所謂腔體擴大亦指第二種腔體擴大。

腔體擴大雖帶來產能的增加，但同時傳統腔體擴大也存在弊端：

(1)傳統合成腔體擴大帶來頂錘消耗增加。隨著合成腔體擴大，為保證合成安全性，合成塊尺寸必然擴大，從而帶來頂錘尺寸的增加，合成事故隨之增加。

(2)傳統合成腔體擴大帶來合成壓力提高，降低了設備的使用壽命。隨著合成腔體擴大，合成塊、頂錘尺寸增大，合成壓力必然提高，導致了合成設備在極限壓力或超負荷壓力下運轉，這大幅降低了合成設備的使用壽命，使斷梁、斷活塞幾率大幅增加，也帶來頂錘消耗的不可控提升。

(3)傳統合成腔體擴大導致保溫層變薄，金剛石品質[6-7]降低。為了擴大合成腔體，部分廠家通過降低保溫層來提高內部反應腔體體積，此舉直接導致合成塊保溫性下降，反應腔體內部溫度梯度增大，金剛石生長速度雖提升，但品質下降，同時浪費電能。

2.2 方腔體壓力分析

為了解決傳統圓腔體擴大帶來的上述弊端，同時充分發揮腔體擴大帶來的產能優勢，并在腔體內部創造出適合金剛石慢速生長的溫度場空間，在對現用圓腔體進行了分析對比的基礎上，設計開發了方腔體結構。

首先、我們對壓縮后的合成塊進行分析，葉蠟石塊在受到壓力壓縮時，其部分葉蠟石流動方向如圖1所示：

圖1 葉蠟石塊受壓后的不同流動表示形式圖(a)葉蠟石立方體塊的流動形式圖；(b)俯視圖流動形式圖；(c)AA′剖面流動形式圖；(d)BB′剖面流動形式圖Fig.1 The pyrophyllite block flow after pressing

葉蠟石塊只有八個密封邊附近的葉蠟石參與流動，形成密封邊。在圓腔體中，葉蠟石塊靠近八個密封邊附近，葉蠟石層厚度比中間厚3倍以上，造成空間浪費，尤其采用保溫性能更優異的紅葉蠟石塊，圓腔體設計的缺陷更為明顯；而方腔體能有效利用邊緣空間，擴大反應腔體內部有效空間，同時不影響密封安全性。如圖2：

圖2 方腔體A、方腔體B葉蠟石塊Fig.2 The pyrophyllite block A with cylindrical synthetic cavity and B with square synthetic cavity

其次、從圓腔體與方腔體在合成加壓的受力方面進行對比：在六面頂壓機上，將葉蠟石塊經一定壓力加壓，除了方形容器因傳壓介質密度不均造成的壓力損失外，其余在壓力范圍內接近，對比結果可見方腔體對壓力傳遞更均勻，內部形成的壓力場更穩定，梯度更小，更有利于高品級金剛石生長。圖3為圓腔體、方腔體內部壓力傳遞示意圖：

圖3 相同力矢量作用于圓腔體與方腔體內部對比Fig.3 The difference between the same vector force acting on a cylinder and a cuboid

2.3 材料設計及實驗分析

在對圓腔體內部受力及密封層流動[8]的分析基礎上，對同等腔體進行了方腔體的腔體結構設計，設計原則：(1)安全性不低于同等圓腔體；(2)合成產量高于同等圓腔體15%。

在方腔體設計時首先考慮合成安全性問題。影響方腔體合成安全性的因素主要有：方腔體圓弧過渡角度和合成柱高度。

方腔體圓弧過渡角度設計中進行了不同角度過渡的葉蠟石塊壓縮對合成柱變形的影響的實驗。

以Φ54mm腔體合成柱為例：圖4是不同圓弧過渡角度(R15、R13、R19)的方腔體合成柱，分別代表大圓弧過渡、適中圓弧過渡及小圓弧過渡。

圖4中A為適中圓弧過渡，其優點：體積重量比同腔體圓柱重量增加20%，經合成壓力壓縮后如圖4A：

圖4中B為小圓弧過渡，其特點：體積重量比同腔體圓柱重量增加達到25%以上；經合成壓力壓縮后如圖4B：

圖4中C為大圓弧過渡，接近圓腔體，其優點：安全性與圓腔體相同，體積重量比同腔體圓柱重量增加較小，產量增加不明顯。經合成壓力壓縮后如圖4C：

從不同過渡弧合成柱合成壓縮后的實際效果圖(圖5)可以看出：合適的圓弧過渡，經合成高壓后，合成柱變形適中，對合成密封安全性無明顯影響，同時合成柱有效合成體積增大15%～20%；當方形合成柱邊緣過渡弧過小時(如圖5B)，經合成高壓變形后，合成柱明顯向密封邊流動，影響其密封性能，造成合成事故；當方形合成柱邊緣過渡弧過大時(如圖5C)，整體合成柱接近圓腔體，經合成高壓后，合成柱更趨近于圓柱體，但有效合成體積增加不明顯。同樣以Φ54mm腔體合成柱為例，采用圖4A圓角過渡方式，

圖5 不同過渡弧合成柱壓縮后效果圖Fig.5 The diagram of synthetic columns with different transition arc after pressure

高度不變情況下，合成柱增加有效體積可達21.7%，單次合成在不增加設備壓力、不調整頂錘大小的情況下，可增加單次產量47克拉(按0.8轉化率計算)。

2.4 合成結果及分析

通過不同圓角過渡合成柱經壓縮后形狀及葉蠟石塊的流動性分析對比，確定了圓角過渡直徑后。在2臺Φ760mm缸徑設備上進行了Φ54mm方腔體連續合成實驗。兩個月的實驗共合成1800塊，合成主粒度40/45,合成柱重334克，合成單次產量290克拉/塊，其合成結果如表2：

表2 方腔體中試結構比例(%)

同期Φ54mm圓腔體合成結果如表3(主粒度同為40/45，正常生產兩機臺合成結果)，兩臺生產設備同樣合成1800塊，合成柱重量271克，合成單產：235克拉/塊。結構比例如表3：

表3 正常圓腔體合成結構比例(%)

3 方腔體的問題及解決方案

通過近兩個月的小規模合成中試，方腔體無論是合成單次產量和合成質量均優于同腔體的圓腔體，在合成的安全性方面，通過兩個月的小規模合成，其合成安全性與同腔體的圓腔體安全性相當。方腔體長期合成安全性還需要更大規模、更長時間的合成驗證。

方腔體合成存在的主要問題：

(1) 合成輔助材料成型成品率偏低，包括葉蠟石塊、鎂杯等。由于沒有方形塊成型經驗，造成輔助材料成型成品率低，并且不易成型。相信隨著材料成型技術的提高和加工經驗的積累，成型成品率會逐步改善。

(2) 方腔體組裝效率低，組裝難度偏大。由于方形塊不能轉動，組裝難度相對圓腔體大，效率低。此問題需通過制作專門組裝模具解決。

4 總結

方腔體的實驗性合成，在通過兩臺設備長時間的試生產，并對合成現象及合成結果進行分析的基礎上，可以得到以下結論：

1、方腔體在不提高設備壓力及頂錘等輔助配件尺寸的條件下，可較大幅度提高合成的單次產量，為生產企業尋求一條在不犧牲設備使用壽命的前提下，可有效提高單次產出的路徑，使生產企業能在市場競爭中贏得先機。

2、方腔體通過對軸向四個棱角進行的合理圓弧過渡，不但解決了合成安全性的問題，同時經合成驗證，四個棱角部位合成溫度均勻，金剛石生長品質與其他部位基本相同，因此方腔體腔體內部溫度場、壓力場分布更適合金剛石生長。

3、方腔體通過對棱柱過渡弧的合理設計，在頂錘不變，合成壓力不增加的前提下，并在確保合成安全性的基礎上，使單次合成產量提高15%～20%以上。

4、方腔體是一種很有發展前景的腔體擴大形式，隨著粉壓技術的提高，組裝模具的應用，方腔體將會是腔體擴大的一種趨勢。

總之,方腔體作為一種腔體擴大的嘗試，其具有不犧牲合成設備使用壽命，不改變頂錘大小，不提高合成壓力等圓腔體擴大所無法比擬的優勢。相信隨著合成技術、粉壓技術的提高，方腔體將會成為發揮現有設備合成潛力的有效方法。

[1] 方嘯虎.方腔體的研究與討論[J].超硬材料與工程,1996(3):21-24．

[2] 方嘯虎,鄧福明,鄭日升.現代超硬材料與制品[M].杭州：浙江大學出版社,2011:113-140．

[3] 李飛躍,李啟全.論大腔體合成金剛石技術中的幾個問題[J].礦業工程，2003(5):79-82．

[4] 謝有贊.金剛石理論與合成技術[M].長沙:湖南科學技術出版社，1993:157-244．

[5] 鄭日升,等.合成金剛石用材料的基本作用及選擇原則[J].珠寶科技,2002(3):32-34．

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[8] 亓曾篤.談談葉蠟石[J].工業金剛石，2001(3):13-16．

Newattemptoncavityexpansion─Experimentalresearchonlargesquarecavitydesign

YANG Ye1,2, FANG Xiao-Hu2.3, LI Ying2

(1.JingriDiamondIndustriesLtd.,Yanjiao065201; 2.HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China;3.ShanghaiCRGEMSSuperabrasivesCo.,Ltd.,Shanghai201108,China)

In this paper, the new square cavity was designed and experiment was carried out compared with the traditional cavity.The results show that according to the new cavity designing with transition arc,the pressure increase caused by the cavity expansion is avoid,the equipment damage is exempted and the yield of the diamond is increased obviously.

diamond press; quadrate cavity; transition arc; synthesis pressure; yield

2017-07-29

楊燁，(1973-)，男，高級工程師(河南工業大學在職研究生)，就職晶日金剛石工業公司技術中心，從事人造金剛石合成及產品研發。

楊燁,方嘯虎,李 穎.新腔體的嘗試[J].超硬材料工程，2017，29(5)：38-42.

TQ164

A

1673-1433(2017)05-0038-05